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电子与信息工程毕业论文:基于分形结构的RFID标签天线的设计与分析.doc

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本 科 毕 业 设 计 基于分形结构的 RFID 标签天线的设计与分析 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 通信系统的飞速发展对天线设计提出了越来越高的要求。通信设备的体积不断减小,需要小型化天线;而通信频带不断向多频段 、高频段发展又推动了多频天线和宽带天线的发展。宽带天线可以覆盖很宽的频率范围,使得通信系统不必使用多个天线,可以提高电磁兼容的性能;但是在某些时候又希望有选择地接收所需要频率的信号,防止出现干扰,需要使用多频天线。因此,天线的小型化、多频天线和宽带天线就成为了目前天线研究的重要问题。 分形具有空间填充能力和自相似属性。当把分形的概念用于天线的设计时,就得到了分形天线。分形天线具有小巧、轻便、易于匹配的优点,同时有的还具有多频带、宽频带特性,因此,它特别适合于当前宽带、超宽带通信领域。 本文对分形天线的基本理 论进行了阐述总结,仿真设计了一个二阶的 sierpinski 正方形毯式结构分形天线,了解了 sierpinski 天线的多频带特性,并分别就天线介质基片的厚度、介质的介电常数以及天线馈线点的位置的变化对天线性能的影响做了仿真分析,发现介质基片的厚度增加,天线的带宽和增益有所增大,谐振频率往低频移动;介电常数增大,谐振点也往低频移动,但带宽和增益有所降低;馈线点对天线的影响是在一段范围内的,在该段范围内,天线的性能较为优越。本文就 sierpinski 天线的特性做了微小的仿真研究,以便实际制作应用当中做出理论参考。 关键词 分形;多频带天线; sierpinski 天线 II ABSTRACT The rapid development of communication system requires more and more on the antennas’ design. The miniaturization of the communication equipments calls for miniaturized antennas, while the increase of the communication frequency bands puts forward the development of multi-band and ultra-wideband UWB antennas. UWB antennas cover wide frequency range which avoids the communication systems to equip several antennas and they instead decrease the size of the facility and improve the electromagnetic compatibility. Meanwhile, it is demanded sometimes that the antenna can receive signals at appointed frequency points to reduce the interference. Under such circumstances, multi-band antennas can meet this demand. Thus, the research work of the antennas nowadays focuses on the miniaturization, multi-band and ultra-wideband characteristics. ‘Fractal’ has space filling ability and self-similarity ability. When applying the ‘Fractal’ to the design of antennas, we get the fractal antennas. Fractal antennas have shown the possibility to miniaturize antennas and improve matching. They can also be configured to operate effectively at various frequency.So,they are well suited to the development of broad band and super-broad band wireless communications. In this paper, fractal antenna s basic theory was expounded summary, the simulation design a second order sierpinski square carpet fractal antenna, to understand sierpinski antenna multi-band characteristics, and in respect of the antenna dielectric substrate thickness, the medium dielectric constant and the antenna feed point of the change of the position of the antenna perance is simulated analysis, we found increased thickness of dielectric substrate, the antenna bandwidth and gain have increased, the resonant frequency to the low mobility; dielectric constant increases, the resonant point also to the low mobility, but the bandwidth and gain is reduced; feeder point of the antenna is in a range, in the context of the paragraph, the antenna s perance is more superior. In this paper, the characteristics of the antenna made sierpinski small simulation study in order to make them actual production application of theoretical reference. Keywords fractal; multi-band antenna; sierpinski antenna III 目录 第 1 章 绪论 .................................................................................................................. 1 1.1 研究背景与意义 ............................................................................................... 1 1.2 RFID 系统及工作原理 ...................................................................................... 1 1.2.1 RFID 系统的组成 ................................................................................... 1 1.2.2 RFID 系统的工作原理 ........................................................................... 2 1.3 RFID 天线国内外研究现状 .............................................................................. 2 1.3.1 天线小型化技术 .................................................................................... 3 1.3.2 多频天线技术 ........................................................................................ 4 1.3.3 宽带天线技术 ........................................................................................ 4 1.4 本文的研究内容和结构 ................................................................................... 6 第 2 章 RFID 天线的理论基础 ..................................................................................... 7 2.1 天线的基本原理 ............................................................................................... 7 2.1.1 天线的辐射原 理 .................................................................................... 7 2.1.2 天线的分析方法 .................................................................................... 7 2.1.3 天线的馈电技术 .................................................................................. 10 2.2 天线的基本参数 ..............................................................................................11 2.2.1 天线的输入阻抗、 方向系数和增益 ...................................................11 2.2.2 天线的极化方式和比吸收率 .............................................................. 12 2.2.3 天线的品质因数和带宽 ...................................................................... 13 第 3 章 分形天线仿真设计与分析 ............................................................................ 15 3.1 分形 ................................................................................................................. 15 3.1.1 分形的定义 .......................................................................................... 15 3.1.2 分形的维数 .......................................................................................... 16 3.2 分形天线 ......................................................................................................... 18 3.2.1 几种常见的分形天线 .......................................................................... 18 3.2.2 分形 天线的小型化及多频带应用 ...................................................... 21 3.3 分形天线的结构设计 ..................................................................................... 22 IV 3.4 分形天线的仿真分析 ..................................................................................... 24 3.4.1 介质厚度对天线的影响 ...................................................................... 24 3.4.2 介质介电常数对天线的影响 .............................................................. 25 3.4.3 同轴馈线点位置对天线的影响 .......................................................... 29 结论 ................................................................................................................................ 31 致谢 .................................................................................................. 错误 未定义书签。 参考文献 ........................................................................................................................ 32 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景与意义 RFID 是 Radio Frequency Identification 的缩写,即射频识别技术,是通过无线射频方式进行非接触双向数据通信,对目标加以识别并获取相关数据的自 动识别技术 [1]。 RFID 是近几年发展起来的前沿科技项目。其主要优点是环境适应性强,不受天气环境的影响,可以全天候,无接触地完成自动识别,跟踪和管理,而且具有较强的抗干扰能力。因此世界各国都在大力发展 RFID 技术,该技术被列为 21 世纪十大重要技术之一。 在无线系统中,天线是电磁波的入口和出口。作为接收天线时,它担负着捕获自由空间中的时变电磁场中的能量,并将其转换成时变电流的重要职责。作为发射天线时,它负责将时变电流以电磁波的形式辐射出去。因此,天线性能的好坏直接影响着整个系统的性能。 随着无线通信技术的发展 以及各种通信标准的日益兴起,无线产品功能越来越复杂,一般能够支持多个频段的不同通信标准。无线产品内部的电路也更为复杂,在无线终端设计时预留给天线空间也越来越少,而对天线的功能要求也越来越多。在市场上,无线产品种类繁多,用户在选择产品时有着更多的选择空间。用户对无线产品的要求不仅仅满足于其性能,同时还对产品的外形有着较高的要求。大多数用户趋向于购买体积小、便于携带的无线产品。因此无论是技术还是市场,都要求无线设备往小型化的方向发展。电路的高度集成化可以跟上无线设备小型化的需求,天线的体积往往成为无线产品体积缩 减的“瓶颈”。目前小型化、多频段、宽频带是天线设计的一个重要的发展趋势。 1.2 RFID 系统及工作原理 1.2.1 RFID 系统的组成 一般地,射频识别系统主要由阅读器和电子标签组成 [2],为了有效地进行数据的处理,计算机网络和数据管理系统等外围设备也是必不可少的。如图 1.1。 2 图 1.1 RFID 系统的基本组成 1阅读器。阅读器是利用射频技术读写电子标签信息的设备。阅读器读出电子标签内的信息可以通过计算机以及网络系统进行管理和信息的传输。 2电子标签。电子标签是射频识别系统真正的数据载体。它存储着需要被识别物体的相关信息,通常被放置在需要被识别的物体上,它所存储的信息通常被阅读器通过非接触方式读写。 3计算机网络。在射频识别系统中,计算机网络通常用于对数据进行管理,完成通信的传输功能。阅读器可以通过标准接口与计算机相连,以便实现通讯和数据的传输功能。 1.2.2 RFID 系统的工作原理 射频识别系统的基本工作流程如下 l阅读器将无线电载波信号经过阅读器天线向外发射; 2当电子标签进入阅读器天线的工作区时,电子标签被激活,将 自身信息代码经电子标签天线发射出去; 3阅读器天线接收电子标签天线发出的信号,经阅读器天线的调节器传输给阅读器 ;阅读器对接收的信号进行解调解码,通过计算机网络送往后台的电脑控制器; 4电脑控制器根据逻辑运算判断该电子标签的合法性,针对不同的设定做出相应的处理和控制,发出指令控制执行机构动作; 5执行机构按照电脑的指令动作; 6通过计算机通信网络将各个监控点连接起来,构成总控信息平台,根据不同的项目可以设计不同的软件来完成要达到的功能。 1.3 RFID 天线国内外研究现状 RFID 天线 的研究是随着 RFID 技术的应用而发展的。从天线类型上看可用于制作射频标签的平面天线有 微带天线,缝隙天线,偶极子天线等等。从频率上看,经过多年的发展, 13.56MHZ及以下的射频识别技术己相对比较成熟 目前位于中高频段的 RFID 技术,特别是 860MHz 一960MHzUHF频段的远距离 RFID 技术发展最快 ;而 2.45GHz 和 5.8GHz 频段由于产品拥挤,易射频识别阅读器 数据管理系统 阅读器天线 标签天线 电子标签 网络 能量 时序 3 受干扰,技术相对复杂,其相关的研究和应用仍处于探索阶段。目前, RFID 天线的研究方向主要趋向于小型化、多频带和超带宽,国内外对这些方面也有了一定的研究成 果。 1.3.1 天线小型化技术 天线小型化是指在满足天线的技术指标(包括增益、方向图、输入阻抗、极化特性等)的前提下,天线的结构尺寸与其它形式天线相比较小的天线,这个结构尺寸是指三维尺寸,无论从那一个维度实现了尺寸缩减,均可以认为达到了天线小型化的效果。一般来讲,这类天线的设计是十分困难的。因为当频率一定时,电磁波在自由空间的波长是确定的,天线作为与自由空间实现能量耦合的元件,其电性能直接受到波长尺寸的限制,结果是天线的方向性、效率、带宽等技术指标和结构尺寸构成矛盾的关系。如何协调和折中上述关系以获得工作在具体应用背景的最佳天线结构则成为天线小型化的核心问题。 目前,国内外实现天线小型化的方法主要有 1天线加载。典型的小型化加载技术可以分为五种 [3] ①充分利用天线的环境 尤其是设备自身 ,尽量让天线周围的环境也参与辐射; ②介质材料加载,会影响天线的带宽; ③应用短路技术加载,将会导致馈电结构对尺寸要求敏感,加工要求较高; ④利用集总元件加载,若引入有耗元件会导致效率降低,增益下降; ⑤对天线进行弯折或引入孔径。 2附加有源网络。 缩小无源天线的尺寸,会导致辐射电阻减小,效率降低,可利用有源 网络的放大作用及阻抗补偿技术弥补由于天线尺寸缩小引起的指标下降。但有源天线已不属于常规的无源天线形式,需另加供电电路和有源器件,且考虑噪声及非线性失真问题,增加了天线的复杂程度 [4]。 3加地板。根据镜像原理,可以使对称振子天线的尺寸减小大约 50,而且较大的地板可以使天线的增益提高。但是考虑到地板的尺寸,这种方法应用的场合十分有限。而且地板还会对天线的方向图产生影响 [5]。 4采用特殊材料基片。 从微带天线谐振频率计算公式可知,采用高介电常数(如陶瓷材料)或高磁导率材料(如磁性材料)的基片可降低谐 振频率,从而减小天线尺寸。高介电常数介质基片天线的主要缺陷是表面损耗大,增益小,效率低,带宽窄。采用铁氧体材料制成的天线实现小型化的同时能在较宽频带范围内做到频率可调(达 40),但铁氧体在微波频段损耗很大。 5表面开槽。主要应用在微带天线中,由于采用了曲流技术,结构简单、成本低廉、加工方便。其特点是随着槽长度增加,天线谐振频率降低,天线尺寸减小,但尺寸过分缩减会引起性能急剧劣化,其中带宽与增益尤为明显 [6]。 6采用分形结构。 20 世纪七十年代末提出的分形几何理论近年来得到了广泛的重视。1990 年 D.L.Jaggard 提出了分形电动力学,确定了将分形与麦克斯韦电磁理论相结合的新方向。通过设计出合适的分形结构,使得天线所占空间尺寸减小,而天线的性能基本保持不变,则达到天线小型化的目的。目前,在天线小型化方面采用的分形结构主要有 Koch、 Hilbert、Peano、 Minkowski、 3/2Curve 曲线以及相应分形结构组成的阵列等 [7]. 4 1.3.2 多频天线技术 能够多频工作的天线需要具有多谐振特性或者宽带特性。具有宽带特性的天线的工作频带包含了多个频段,可以作为多频天线使用,但是有时多频天线还 要求具有频率选择性,就是在能同时满足若干个频段工作的时候还要对特殊的频段进行限制 [8]。通常对多频天线的要求是首先要在若干个频点处具有谐振特性,并具有一定的带宽;其次需要这若干频点的方向图和增益不能有太大的变化或者是要满足设计要求;最重要的一点是谐振频点要具有可控性,这是多频天线设计所必须的。 当前,有许多种天线结构都能够实现多频特性 1引入不同谐振单元。 通过引入不同的谐振单元可以实现天线的多谐振特性,而对不同的谐振单元可以采用直接馈电的方式,包括串联馈电或者并联馈电 [9]。 2引入寄生单元。 通过引入和主辐射单元谐振在不同频率下的寄生单元的方式,也可以实现天线的多频特性,这时一般采用的馈电方式是对主辐射单元直接馈电,对寄生单元则通过主辐射单元耦合馈电(间接馈电),这种方法不仅可以用于普通金属天线,也适用于介质谐振天线 [10]。以上两种方法通过合理地选取谐振单元的谐振频率,还可以实现展宽频带的功能[11]。 3利用不同的模式。对于微带贴片天线而言,可以在单一贴片的情况下利用几种不同的模式来实现双频或者多频工作。 4天线加载。通过加载的方法改变微带贴片天线的场分布,进而使天线的谐振频率受到干 扰,最终实现双频或者多频工作。如探针加载的双频天线。 5表面开槽。在微带天线的贴片上开槽也视为一种加载方式,通过开槽,改变贴片的表面电流分布,最后实现多频天线要求。通过采用不同的贴片形状、不同的开槽方案、不同的贴片数量以及不同的馈电形式可以得到各种多频微带天线。 6采用电可重构天线。 电控可重构天线 Electronic Reconfigurable Antenna也可以作为多频天线来使用,但是这种天线不能同时工作于多个频段。它是一种新颖的,并且越来越引起天线设计领域关注的天线技术,这种天线能够在 不改变机械结构的情况下,通过非机械的手段来改变关键的特性参数,如工作频率、辐射方向图、极化方式、雷达散射截面和输入阻抗等等。 7采用分形结构。由于分形结构具有自相似特性,所以可以应用在多频天线中。分形和其它方法相比,有如下特点 ①采用嵌套结构的多个谐振单元实现多频,嵌套单元之间满足相似关系,通过控制相似比可以满足不同频段的需要; ②嵌套的各个谐振单元之间可以通过几个小区域直接相连,也可以没有共同边界,通过电磁耦合相互作用,该类天线保证多频的一个重要特点就是天线整体存在电流截断效应; ③由于存在截断效应 ,所以分形多频天线的最低频率与其它频率之间的比例关系不一致,而与最大尺寸有关。 1.3.3 宽带天线技术 天线的频带宽度是指天线的主要电指标如增益、主瓣宽度、副瓣电平、输入阻抗、极化5 方式等特性满足设计要求的频率范围,或称天线的工作带宽。当精确描述天线的带宽时,则更多地采用阻抗带宽和方向图带宽。通常采用两种表达方式,一种称“相对带宽”,一种是“倍频带宽”。 相对带宽 ? 定义为 max minmax min2ff? ? ?? ( 1-1) 式中 maxf 工作频带的上限频率 , minf 工作频带的下限频率 倍频带宽 B 的定义是工作频带的上限频率与下限频率之比,即 maxminfB f? 1-2 一般而言,窄频带天线多使用相对带宽一词,而宽频带天线通常采用倍频带宽的表示方法。“窄”与 “宽”都是相对的,没有严格的定义。习惯上, B≥ 2 就认为是宽带天线, B≥ 10时为超宽带天线。 目前,国内外展宽天线频带的方法主要有 1天线加载。对于电小天线来说,展宽带宽可以通过辐射体本身加载、馈电点加载、有源网络和无源网络加载以及混合方法等途径实现。加载天线的加载元件为电阻或电抗元件,可以在天线上集中分布也可以分散分布,可以是串联型或并联型,具体可以包括串联分布加载天线、串联集中加载天线和混合式加载天线等。随着脉冲雷达技术的发展,还出现了用于接收针对具有纳秒级宽度时域脉冲辐射的天线,如采用分布式电阻加 载的偶极天线 [12]。 2宽带振子。振子类天线是最基本的天线形式,普通的振子天线是谐振天线,其电流为驻波分布,输入阻抗是频率的敏感函数。尤其是输入电抗的变化规律还随频率呈现周期性变化,所以,常采用变化振子的外形来实现其工作频带的展宽。目前常见的天线形式有套筒振子天线、锥形天线,包括单锥、不等角锥、变形锥、盘锥天线、钻石振子天线 [13]、球形偶极子天线等,在文献 [14]中总结了一系列最新的超宽带印刷单极天线。 3渐变结构。渐变结构的天线最主要的形式为槽线天线,槽线天线是从槽线传输线演变来的,该传输线 由一个介质板和开槽的金属板构成,其特性阻抗和波导波长等参数随频率变化缓慢。从结构上看,槽线宽带天线有 Vivaldi、 LTSA[15]等。 4频率无关结构。该类天线主要包括对数周期天线和螺旋天线,对数周期天线是由长度按照一种规律变化的,相互之间平行的具有离散自相似结构的许多半波振子通过传输线的馈电而形成的电特性随着频率的对数作周期性变化的天线,只要在一个周期内天线的特性变化不大就称之为电特性频率无关。螺旋天线也是一种频率无关结构,这种天线在开始具有最高谐振频率,在末端谐振频率最低,在较宽的频率范围内具有连 续的变化,天线的结构和天线上电流的相位使该天线在空间产生圆极化的电磁波。 5采用厚基片。这种展宽频带的方式是针对微带天线的,微带天线是一种谐振式天线,其谐振特性类似一个高品质因数的并联谐振电路,根据这种电路的特点,可以通过降低等效谐振电路的品质因数的方法使天线的频带得到展宽。由于因辐射引起的品质因数与基片厚度成负相关,所以采用厚基片可以有效地展宽微带天线的阻抗带宽。文献 [16, 17]提出了两种展宽微带天线频带的方法,在微带天线的设计中引入了可以调节厚度的 V 形和楔形空气隙,使得微带天线的阻抗带宽和传统微带 天线相比大为增加,但是却产生了制作复杂且 不 易共形等缺点。
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